小型化，體積縮小一半，這有大用
高效率：理論發電效率可突破50%，實際應用中已實現餘熱發電淨輸出提升50%以上；三年回本
小型化：機組體積僅傳統系統一半，便於部署於工業現場
這不僅是能源轉換效率的躍升，更是對既有熱力發電範式的顛覆性創新。
【導讀】 12月20日，全球首台商用超臨界二氧化碳發電機組在貴州六盤水首鋼水鋼集團成功商運，這也是超臨界二氧化碳餘熱發電技術「超碳一號」的全球示範工程。
【文/ 黃彥平】
大家好，我是「超碳一號」的總設計師黃彥平。
身為這個計畫從構思到落地的主要負責人，我來為大家補上一些技術細節和幕後故事，再和大家聊聊這項突破究竟意味著什麼。
一切的起點，其實源自於我們對一個老問題的追問。
一百多年來，人類最主流的發電方式本質上沒有改變——現代火力發電廠與核電廠的主要發電方式仍是蒸汽發電，因此網友常調侃：人類科技的盡頭是「燒開水」。蒸汽發電技術是工業時代的偉大成就，穩定、可靠且成熟，但以蒸汽為循環工質的發電技術面臨效率瓶頸，而體積大、系統複雜的固有特點也限制了其應用範圍的持續拓展。
那麼，能不能找到一種能彌補這種工質短板、實現發電技術創新的新工質？
2009年，在一次專題研討會上，我收到了一張由他人轉交的紙條，上面是孫玉發院士的筆跡。他提到，超臨界二氧化碳發電技術具有研究潛力，可以深入探索。紙條雖輕，在我手裡卻沉甸甸的。這不是一道命令，而是一位前輩科學家基於深厚學識所給予的、指向未來的可能路徑。
事實上，二氧化碳是國內外同業從數十種工質中綜合篩選出的「天選之子」。它天然存在、化學性質穩定、工業應用廣泛。當溫度超過31℃、壓力升高至73大氣壓以上時，二氧化碳會進入超臨界狀態，不同於常規的「固、液、氣」三態，此時的二氧化碳既像液體一樣密度高，做功能力強，又像氣體一樣黏度低，流動阻力小。
超臨界二氧化碳發電技術正是以超臨界態的二氧化碳為工質，以實現從熱能到電能的轉換。得益於其特殊物性，該技術具有高效率的核心優勢－理論發電效率可突破50%。我們目前掌握的核心技術，可以填補世界範圍內中小功率規模、中高溫熱源場景的高效發電技術空白，實現節能降碳，推動能源結構優化和永續發展。未來，透過持續的技術攻關，該型技術還可以拓展到更高功率等級、更高工作溫度的應用場景。
同樣得益於超臨界二氧化碳的獨特物性，循環全程處於超臨界態，不發生相變，使得該發電技術的機組體積小、能量密度高，可有效減少設備數量和體積，便於模組化集成部署。以「超碳一號」系統為例，主要設備僅包括壓縮機、膨脹機、冷卻器、回熱器和熱源熱交換器，機組體積較傳統蒸汽發電機組減少一半，且操控簡單、運維成本低。
原理聽起來優美又簡潔，對嗎？但搞工程的人都知道，從優美的原理到成功應用，中間隔著一道道工程的銅牆鐵壁。在這個過程中，有幾個關鍵設備必須突破，
我們撞上的第一面牆，就是壓縮機。
我們可以把壓縮機比喻成系統的心臟。傳統水泵工作在性質穩定的液態區，而我們的壓縮機必須在物性劇烈變化的臨界點附近實現對二氧化碳的穩定壓縮，這對設計與製造提出了極高要求。另一個大難點是密封：發電過程中高溫高壓的超臨界二氧化碳推動渦輪機高速旋轉，要保障它盡可能少地向環境洩漏工質，系統的密封結構必須做到耐高溫高壓、耐磨損。
上述問題限制了國際上許多團隊的發展。
透過自主研發，我們團隊試誤了上百種設計和製程方案，並與東方電氣等重型設備企業聯合攻關，採用了一些傳統技術認為不可能實現的方法，最終解決了這些難題。到目前為止，我們已經成功研製出6款不同型號壓縮機，均實現滿載長期運行，可支撐100 kWe-100 MWe功率等級的發電系統。
如果說壓縮機是心臟，那麼熱交換器就如同遍佈全身的毛細血管網。作為熱量傳遞的核心設備，它直接關係到系統效率。超臨界二氧化碳的表面熱交換能力較差，只有水的1/3左右，因此必須採用高比表面積、高承壓能力、耐腐蝕性強的熱交換器來彌補其熱交換能力不足的短板。這不僅需要全新的熱交換構型設計，還要解決毫米級薄板的高強度大面積非連續焊接難題。
要實現這種特殊焊接，必須依賴一台專用機器。然而在起步階段，國內沒有任何單位能夠製造此類設備。我們曾希望藉鏡國際經驗，但現實給了我們深刻一課：團隊先後四次派員前往當時技術最領先的公司調查，對方連車間大門都未允許進入，更別提參觀設備了。
這件事，反而讓我們徹底清醒。我們下定決心，要自己幹，要靠自己研發出完全國產化的焊接機器。
困難在這裡就不贅述了，我們從原理啃起，自己設計、自己調試，並聯合西北工業大學等知名高校，自主研製系列化工業母機——大尺寸真空擴散焊機，實現了超臨界二氧化碳換熱設備全國產、型譜化研製。
這段經歷，也讓我們對「國際競爭」有了切身的理解。這項技術的戰略價值，國際同行看得非常清楚。美國在2015年就將超臨界二氧化碳發電技術列為國家能源戰略前沿技術；2017年，又將其提升至第2位，僅次於電網現代化。
這種「高度重視」與「嚴密封鎖」的疊加態，意味著從第一天起，這就注定是一條必須依靠自主創新才能走通的路。它逼著我們拋棄了一切幻想，從最基礎的單元實驗做起──2012年，我們搭建國內第一個實驗迴路，全部花了12萬元。
但回頭看看時間線，又有些耐人尋味。
當我們埋頭攻克了密封、焊接等一系列工程難題，讓工程驗證機穩定運作時，國際上的同業仍在公開探討類似的挑戰。根據我們看到的學術報告，國外某頂尖實驗室在2024年達到的水平，大致與我們團隊五、六年前的狀態相當。所以，今天「超碳一號」能率先商運，並不是因為我們起步更早，而是因為封鎖逼著我們更早、更徹底地完成了從理論到工藝的全鏈條貫通。
競爭就像一場馬拉松，有人設置路障，反而迫使我們練就了更強的越野能力。
技術突破了，最終總要回答這個問題：有什麼用？能賺錢嗎？這也是團隊在「硬派咖啡廳」活動裡，被一位知友問到的問題。
「超碳一號」就是第一個答案。它在一條鋼鐵生產線上，回收燒結機排放的煙氣餘熱來發電。 15兆瓦燒結餘熱發電機組，佔地面積只有傳統蒸汽餘熱發電廠的一半，但淨發電量提升了50%以上，每年能多發電7,000萬度以上。我們計算過，大約三年就能回本。它首先是一個經得起市場檢驗的經濟選擇。
接下來我們還有「超碳二號」。太陽能與風能等新能源具有間歇性與波動性特點，不僅有棄風、棄光現象，也為電網調度安全帶來挑戰。為破解這個難題，我們啟動了「熔鹽儲能+超臨界二氧化碳發電」示範項目，已入選「國家能源領域第五批首台（套）重大技術裝備」。本專案充分利用超臨界二氧化碳發電技術具有的反應迅速、轉換效率高等優勢，為新型電網提供調峰調頻調慣量的新手段，進一步提升電網運作的穩定性與安全性。
也有人問，十幾年周期，面對無數失敗和質疑，團隊是怎麼撐下來的？
說實話，做從0到1的事，面對質疑是常態。 2009年那會兒，團隊裡基本上就我一個人在琢磨。直到2010年、2011年，才有學生陸續加入，現在團隊幾十人了。有博士來找我，說想做這個，我說歡迎，但得先說清楚：會很苦，要學一大堆新東西，而且很可能因為一時做不出成績而挨批評。但我也告訴他們，一旦鑽進去，你會發現這裡面天地廣闊，非常有趣。
我知道知乎有很多有志於科學研究工作的青年，也想在這裡分享分享我的笨辦法：
別人幹了沒幹成，要找到他沒幹成的原因；
當時有技術短板，要思考現在新科技發展能不能補上這個短板？
如果沒有人幹過，那自己先必須想清楚三個問題──技術原理到底成不成立？做出來有沒有不可取代的優勢？現有的工業體系能不能支撐它實現？想透了，就堅定地往下走。
我這個人，臉皮比較厚。別人沒研究過就說不行，我覺得那是個笑話。搞技術創新，有時需要這點「軸」勁，要能承受別人的懷疑和負能量。但玩笑歸玩笑，大家都有一種內生的驅動力。從懷疑“這玩意兒真能轉嗎”，到親手調校的機器發出第一度電，再到目睹龐然大物般的工程機組平穩運行，這種親手把概念從圖紙變為現實的快樂，是無可替代的。科研，就是需要不間斷的熱情去暖化。團隊成員進進出出，我們在無數次的試驗中一次次失望，又一次次重整旗鼓。他們有時會吐槽我要求太嚴，但轉頭又會為了一個技術細節和我爭得面紅耳赤。這種純粹，或許就是我們這個團隊最寶貴的燃料。
從2009年一個模糊的想法，到今天全球首台「超碳一號」示範工程成功商運，它意味著，一條被預言了多年的、更有效率的發電新路徑，第一次被中國工程師用完整的自主技術，實實在在地鋪成通途。目前，我國的超臨界二氧化碳發電技術產學研用系統已基本建立，形成了全國產化產業鏈條，具備全面工程應用條件。曾經國外商業管制清單上的技術，我們已經全部實現了國產化，我們所有的技術、裝備，都可以在祖國960萬平方公里的土地上自主完成。
「超碳一號」是一個里程碑，但更是一個新的起點。我們將透過持續的技術攻關，推動「超碳一號」在工業餘熱場景推廣應用的同時，讓超臨界二氧化碳發電技術持續邁進到更大功率等級、更高熱源溫度的應用場景。這條路，我們會繼續腳踏實地地走下去。
謝謝大家。
